Medan atomklockor redan är de mest exakta tidtagningsanordningarna i universum, arbetar fysiker hårt för att förbättra deras noggrannhet ytterligare. Ett sätt är att utnyttja spinnpressade tillstånd i klockatomer.
Spinnpressade tillstånd är intrasslade tillstånd där partiklar i systemet konspirerar för att ta bort sitt inneboende kvantbrus. Dessa tillstånd erbjuder därför stora möjligheter för kvantförstärkt mätning eftersom de möjliggör mer exakta mätningar. Ändå har spinnpressade tillstånd i de önskade optiska övergångarna med lite yttre brus varit svåra att förbereda och underhålla.
Ett särskilt sätt att generera ett spinnpressat tillstånd, eller klämning, är genom att placera klockatomerna i en optisk kavitet, en uppsättning speglar där ljus kan studsa fram och tillbaka många gånger. I kaviteten kan atomer synkronisera sina fotonemissioner och avge en ljusskur som är mycket ljusare än från en atom ensam, ett fenomen som kallas superstrålning. Beroende på hur överstrålning används kan det leda till intrassling, eller alternativt kan det istället störa det önskade kvanttillståndet.
I en tidigare studie, gjord i ett samarbete mellan JILA och NIST Fellows, Ana Maria Rey och James Thompson, upptäckte forskarna att flernivåatomer (med mer än två inre energitillstånd) erbjuder unika möjligheter att utnyttja superstrålningsemission genom att istället inducera atomerna till avbryta varandras utsläpp och förbli mörka.
Nu, rapporterad i ett par nya artiklar publicerade i Physical Review Letters och Fysisk granskning A , upptäckte Rey och hennes team en metod för att inte bara skapa mörka tillstånd i en hålighet, utan ännu viktigare, få dessa tillstånd att snurra pressade. Deras fynd kan öppna anmärkningsvärda möjligheter för att generera intrasslade klockor, vilket kan tänja på gränsen för kvantmetrologi på ett fascinerande sätt.
I flera år har Rey och hennes team studerat möjligheten att utnyttja superstrålning genom att bilda mörka tillstånd inuti en hålighet. Eftersom mörka tillstånd är unika konfigurationer där de vanliga vägarna för ljusemission stör destruktivt, avger inte dessa tillstånd ljus. Rey och hennes team har visat att mörka tillstånd kan förverkligas när atomer framställda i vissa initiala tillstånd placerades inuti en hålighet.
Förberedda på detta sätt kunde kvanttillstånden förbli ogenomträngliga för effekterna av superstrålning eller ljusemission in i kaviteten. Atomerna kunde fortfarande avge ljus utanför kaviteten, men i en takt som är mycket långsammare än superstrålning.
Den tidigare JILA-postdoktorn Asier Piñeiro Orioli, huvudforskaren i den tidigare studien med Thompson, och även en bidragsgivare till de två nyligen publicerade studierna, hittade ett enkelt sätt att förstå uppkomsten av ett mörkt tillstånd i en hålighet i termer av vad de kallade en superstrålningspotential.
Rey säger, "Vi kan föreställa oss superstrålningspotentialen som en berg-och dalbana där atomer åker. När de faller nerför kullen avger de ljus kollektivt, men de kan fastna när de når en dal. I dalarna bildar atomerna mörkret. tillstånd och sluta sända ljus in i kaviteten."
I sitt tidigare arbete med Thompson fann JILA-forskarna att de mörka tillstånden måste vara åtminstone lite intrasslade.
"Frågan vi siktade på att ta upp i de två nya verken är om de kan vara både mörka och mycket intrasslade", förklarar första författaren Bhuvanesh Sundar, en tidigare JILA postdoktoral forskare. "Det spännande är att vi inte bara fann att svaret är ja, utan att dessa typer av pressade tillstånd är ganska enkla att förbereda."
I de nya studierna kom forskarna på två möjliga sätt att förbereda atomerna i mycket intrasslade spinnpressade tillstånd. Ett sätt var att lysa atomerna med en laser för att aktivera dem ovanför deras marktillstånd och sedan placera dem i speciella punkter på superstrålningspotentialen, även känd som sadelpunkter. Vid sadelpunkterna låter forskarna atomer slappna av i kaviteten genom att stänga av lasern, och intressant nog omformar atomerna sin brusfördelning och blir mycket klämda.
"Sadelpunkterna är dalar där potentialen har noll krökning och noll lutning samtidigt", utarbetar Rey. "Detta är speciella punkter eftersom atomer är mörka men på gränsen till att bli instabila och därför tenderar att omforma sin brusfördelning till att bli klämd."
Den andra föreslagna metoden involverade överföringen av superstrålande tillstånd till mörka tillstånd. Här hittade teamet även andra speciella punkter där atomerna är nära speciella "ljusa" punkter – inte i en berg-och-dalbana, utan på punkter med noll krökning – där samspelet mellan superstrålning och en extern laser genererar spin-squeezing .
"Det snygga är att spinnklämningen som genereras vid dessa ljusa punkter sedan kan överföras till ett mörkt tillstånd där vi, efter lämplig justering, kan stänga av lasern och bevara klämningen", tillägger Sundar.
Denna överföring fungerar genom att först driva atomerna in i en dal av superstrålningspotentialen och sedan använda lasrar med lämpliga polarisationer (eller riktningar för ljussvängningar) för att konsekvent anpassa de sammanpressade riktningarna, vilket gör de klämda tillstånden immuna mot superstrålning.
Överföringen av klämda tillstånd till mörka tillstånd bevarade inte bara de reducerade brusegenskaperna hos de klämda tillstånden, utan säkerställde också deras överlevnad i frånvaro av att drivas av en extern laser, en avgörande faktor för praktiska tillämpningar inom kvantmetrologi.
Medan studien publicerades i Physical Review Letters använde endast en polarisering av laserljuset för att inducera spinnklämning, vilket genererade två klämda lägen, Physical Review A papper tog denna simulering vidare genom att använda båda polarisationerna av laserljus, vilket resulterade i fyra spinn-pressade lägen (två lägen för varje polarisation).
"I dessa två artiklar tog vi hänsyn till flernivåatomer med många inre nivåer", säger Piñeiro Orioli, "och att ha många inre nivåer är svårare att simulera än att ha två nivåer, vilket ofta studeras i litteraturen. Så vi utvecklade en uppsättning av verktyg för att lösa dessa flernivåsystem. Vi utarbetade en formel för att beräkna intrassling som genereras från det initiala tillståndet."
Resultaten av dessa studier kan ha långtgående konsekvenser för atomur. Genom att övervinna begränsningarna av superstrålning via generering av mörka intrasslade tillstånd, lagrar fysiker antingen de intrasslade tillstånden genom att använda atomerna som ett minne (som möjliggör hämtning av information från dessa tillstånd) eller injicera det intrasslade tillståndet i en klocka eller interferometersekvens för kvantum. -förbättrade mätningar.
Mer information: Bhuvanesh Sundar et al, Squeezing Multilevel Atoms in Dark States via Cavity Superradiance, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.033601. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2302.10828
Bhuvanesh Sundar et al, Driven-dissipative four-mode squeezing of multilevel atoms in an optical cavity, Physical Review A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.013713. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.10717
Tillhandahålls av JILA
